CN103795307B - 用于启动电机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于启动电机的方法，所述电机具有主机、励磁机以及永磁发电机（PMG），各自具有定子和转子，每个转子安装到公共轴，所述方法包括：以异步模式启动所述主机，方法是将启动电流施加到所述主机的所述定子，以在主转子的阻尼绕组中感生阻尼电流，从而产生使所述公共轴旋转的启动扭矩；然后以同步模式运行所述主机，方法是将运行电流从所述励磁机转子供应到所述主机转子。

Description

用于启动电机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于启动电机的方法。

背景技术

在同步电机中，尤其是飞机中所用的同步电机中，主机转子上使用阻尼绕组来提高发电机的瞬态性能。由于同步电机没有启动扭矩，因此在异步启动模式期间使用一些形式的辅助电力单元（APU）来供电，以驱动交流（AC）励磁机，从而在励磁机中生成旋转场，从而产生扭矩。扭矩旋转可旋转的公共轴，直到同步励磁机能够产生在励磁机转子绕组上产生足够的交流电压来为主转子供电，从而实现同步运行模式。

发明内容

本发明提供一种用于启动电机的方法，所述电机具有主机、励磁机以及永磁发电机，这些部件各自具有定子和转子，每个转子安装到公共轴，所述方法包括：以异步模式启动所述主机，方法是将启动电流施加到所述主机的所述定子，以在主转子的阻尼绕组中感生阻尼电流，从而产生使所述公共轴旋转的启动扭矩；然后以同步模式运行所述主机，方法是将运行电流从所述励磁机转子供应到所述主机转子。

作为优选，在所述阻尼绕组超出其热限制之前，终止施加所述启动电流。

作为优选，施加所述启动电流包括从直流电源产生所述启动电流。

作为优选，产生所述启动电流包括转换所述直流电源，以产生用于所述启动电流的交流电流。

作为优选，所述交流电流是三相电流。

作为优选，感生所述PMG电流包括感生交流电流。

作为优选，所述交流电流是三相电流。

作为优选，将所述PMG电流供应到所述励磁机定子包括将所述PMG电流从三相转换为单相。

作为优选，将所述PMG电流供应到所述励磁机定子包括将所述PMG电流转换为励磁机定子电流。

作为优选，将所述PMG电流转换为所述励磁机定子电流包括随时间的推移提高所述励磁机定子电流的所述频率。

作为优选，将所述励磁机转子电流供应到所述主机的所述转子包括整流所述励磁机转子电流。

作为优选，将所述PMG电流供应到所述励磁机定子发生在所述阻尼绕组达到其热限制之前。

作为优选，终止施加所述启动电流与将所述PMG电流供应到所述励磁机定子是同时进行的。

在另一方面，本发明涉及一种用于操作机器的方法，所述机器具有主机、励磁机和永磁发电机，各自具有定子和转子，每个转子安装到公共轴，所述方法包括：以异步模式启动所述主机，方法是将启动电流施加到所述主机的所述定子，以在所述主机转子的阻尼绕组中感生阻尼电流，从而产生使所述公共轴旋转的启动扭矩；以及以同步模式运行所述主机，方法是将运行电流从所述励磁机转子供应到所述主机转子。

作为优选，施加所述启动电流包括从直流电源产生所述启动电流。

作为优选，产生所述启动电流包括转换所述直流电源，以产生用于所述启动电流的交流电流。

作为优选，所述交流电流是三相电流。

作为优选，进一步包括在所述阻尼绕组达到其热限制之前，从异步模式切换到同步模式。

作为优选，所述从异步模式切换到同步模式与终止施加所述启动电流是同时发生的。

作为优选，进一步包括在终止施加所述启动电流的同时，从异步模式切换到同步模式。

附图说明

在附图中：

图1是启动器/发电机组件的截面图。

图2是沿图1中的线2-2截取的示出阻尼绕组组件的局部截面图。

图3是启动器/发电机组件的可旋转轴的示意图。

图4示出了在异步和同步运行模式期间施加扭矩时发电机的速度。

具体实施方式

尽管本发明可以在使用同步电机的任何环境中实施，但目前预计在喷气发动机环境中使用，其中电机通常称为机器，例如启动器/发电机（S/G）。因此，简述目标环境有助于更全面地理解本发明。图1示意性地示出了安装在燃气涡轮飞机发动机上或内部的S/G组件10。燃气涡轮发动机可以是涡轮风扇发动机，例如General Electric GEnx或CF6系列发动机，通常用于现代商用和军用航空领域中，或者可以是各种其他已知的燃气涡轮发动机，例如涡轮螺旋发动机（turboprop）或涡轮轴发动机（turboshaft）。所述燃气涡轮发动机还可以具有后燃室，所述后燃室在低压涡轮区域的下游燃烧额外量的燃料，以增加排出气体的速度，从而增加推力。

S/G组件10可以安装在包括风扇的燃气涡轮发动机的进气区外部，或者安装在高压压缩区附近的轴心上。至少一个电压输出提供在S/G组件10的外部上以向和从S/G组件10输送电力。如图所示，所述电力连接通过电力电缆11输送，并且可以从S/G组件10提供三相接地参考输出。

S/G组件10包括可旋转轴18、同步主机14、励磁机16和永磁发电机12。可旋转轴18由隔开的轴承19支撑。PMG12、主机14和励磁机16各自分别具有转子12a、14a、16a，并且分别具有相应的定子12b、14b、16b。转子12a、14a、16a安装到可旋转轴18，以便相对于定子12b、14b、16b旋转，所述定子以旋转方式固定在S/G组件10内。定子12b、14b、16b可以安装到S/G组件10的外壳部分的任何合适部分。

在图示的实施例中，主机14位于S/G组件10的后部，PMG12位于S/G组件10的前部。励磁机16置于S/G组件10内，位于主机14与PMG12之间处。预计主机14、PMG12和励磁机16可以置于其他位置，并且本发明的保护范围并不受任意实施例限制。

主机转子14a包括阻尼绕组20，所述阻尼绕组由端部的导电板24短路，用于在S/G组件10稳态运行期间，防止连接磁极的磁场位置或强度发生脉动变化。换言之，阻尼绕组20抑制可能由正常运行期间S/G组件10的电气接头处的负载变化产生的任何速度波动。

现在转向图2，主机转子14a的阻尼绕组20包括导电材料绕组21，例如，铜，附接到主机转子14a的场磁极23上。因此，阻尼绕组20围绕主机转子14a径向隔开。主机转子14a进一步包括电气绕组29，所述电气绕组沿主机转子14a长度延伸，并且置于场磁极23之间。

典型的400Hz S/G组件10具有2到4个磁极，每个磁极具有5到11个阻尼绕组20。例如，阻尼绕组20由直径在0.060英寸到0.250英寸的铜构成。再如，油冷却的100kW发电机在阻尼绕组20中产生高达300A的电流。

参见图3，S/G组件10进一步包括发电机控制单元（GCU）22。GCU22包括电子开关28，所述电子开关具有断开和闭合位置，其中励磁机定子16b在开关28处于断开位置时电气断开，定子16b在开关28处于闭合位置中时电气连接。

PMG转子12a包括具有至少两个磁极的永磁体，PMG定子12b包括绕组，所述绕组配置用于沿引线L1、L2、L3提供三相输出，所述输出通过GCU22经由公共输电线供应到励磁机定子16b。

励磁机定子16b包括励磁机绕组，所述励磁机绕组连接到GCU22的输出引线31。励磁机转子16a包括绕组，所述绕组配置用于沿引线L4、L5、L6提供三相输出，如图所示，所述输出供应到整流器26，所述整流器被图示为基于二极管的旋转整流器。整流器26进一步为主机转子14a提供公共输电线33。

主机定子14b具有引线L7、L8、L9，所述引线配置用于连接到异步启动控制开关34，所述开关具有第一位置和第二位置，其中当所述开关处于第一位置时,子14b连接到外部电源，例如单相启动驱动器30，并且其中当所述开关处于第二位置时，定子14b连接到飞机的配电节点32。

启动驱动器30包括交流电源35和控制器27，所述控制器能够调整启动驱动器30的功率输出的频率。预计存在替代的外部电源，包括另一运行发动机的功率输出、公共三相壁式插座，甚至是电池等直流（DC）电源，当与转换器（inverter）连接以产生必要的三相电力时，前提是替代的外部电源能够使用本说明书中所述的频率控制调整单相交流电的功率输出。

参见图4，根据本发明方法的S/G组件10以两种不同模式运行:异步启动模式和同步运行模式，其中所述异步启动模式操作性地为可旋转轴18提供启动扭矩和加速度，并且所述同步运行模式通过稳态自足性（stead-state self-sufficiency）运行。

在异步启动模式开始时，可旋转轴18不旋转，GCU22的电子开关28处于断开状态，以将PMG定子12b的电压输出从励磁机定子16b断开连接，并且控制开关34处于第一位置，以从启动驱动器30接收对主机定子14b的引线L7、L8、L9的交流电力输入。

在此状态中，来自启动驱动器30的交流电力输入在主机定子14b中产生旋转磁场，所述旋转磁场又在主机转子14a的阻尼绕组20上感生电流。随后感生的电流会在主机转子14a上产生足够的扭矩，以使附接的可旋转轴18旋转。

在阻尼绕组20上产生电流之后，APU控制器27在一段时间内提供频率步进操作，以提高所产生的提供给主机定子14b的电力的场频率。此单相频率步进操作将在旋转的主机转子14a上感生优化扭矩，加速可旋转轴18的旋转。

例如，APU控制器27通过连续提高主机定子14b的场频率来提供所述频率步进操作，以在主机转子14a上提供最大启动扭矩。在异步启动模式中，这种频率步进操作方法能够在主机转子14a上提供恒定扭矩，并且由此在可旋转轴18上提供恒定扭矩。

感生电流还在阻尼绕组20上生热，其具有绕组20发生故障的已知热限制。在一个实例中，典型的阻尼绕组20热限制在200摄氏度到240摄氏度之间。在初始异步模式中，必须注意防止对阻尼绕组20产生热损伤，所述阻尼绕组是相对较小的绕组，并且未用作启动绕组。在一个实例中，典型的启动绕组的截面积可以是阻尼绕组20（直径在0.239英寸到0.488英寸之间）的三倍，并且可以被配置成连续承受阻尼绕组20的电流量的两倍。如图所示，阻尼绕组20连接到温度传感器25，以便监控绕组20的热状态。

在异步启动模式期间，所述方法应将电力输送到主机定子14b中，所述电力高达阻尼绕组20上所能允许产生的热量，而不致使阻尼绕组20发生故障，所述热量通过温度传感器25进行测量。在一个实例中，可以无线传输温度传感器25的测量值。所述方法的一个目标是尽可能快地达到目标旋转频率。在每个频率步进阶段中，所述最大输入电力将在可旋转轴18上产生扭矩峰值，因此，能够更快地旋转加速而不致使阻尼绕组20上发生热故障。或者，异步启动模式阶段的长度可以是基于指定系统的具体发电机和已知电气性质而预先计算的时间。在一个实例中，异步启动模式的预先计算总时间在10秒到25秒之间。

在可旋转轴18从频率步进操作中达到运行频率，例如，60Hz之后，所述方法从异步启动模式更改为同步运行模式。在模式更改时，异步启动模式控制开关34从第一位置切换到第二位置，其中主机定子14b输出引线L7、L8、L9将三相电力供应到飞机的配电节点32。GCU电子开关28还从断开状态切换到闭合状态，将GCU22电连接到PMG定子12b的输出引线L1、L2、L3。

在同步运行模式中，旋转PMG转子12a在PMG定子12b的引线L1、L2、L3中产生三相输出，将电力供应到GCU22。GCU22又继续通过GCU22和励磁机定子16b引导可旋转轴18的旋转频率达到稳态运行频率60Hz。

励磁机转子16a的稳态旋转将在引线L4、L5、L6中产生三相电力，所述电力将通过旋转整流器26转换成直流电力。直流电力提供到主机转子14a，与主机定子14b一起旋转，在引线L7、L8、L9中产生运行S/G组件10三相电力输出，以供应给飞机的配电节点32。

图4中相对于在异步启动模式和同步运行模式中施加的扭矩来示出旋转轴18的速度。在频率步进操作期间，阻尼绕组20上的感生电流被图示为从频率20Hz、40Hz和60Hz的扭矩曲线瞬态图，即使事实上，在控制器连续更改频率期间，实质上将存在无限多个扭矩曲线，从而得到异步启动模式期间的最大扭矩水平的点线。所述点线代表异步启动模式中的恒定扭矩。启动完成之后，控制器不以最大扭矩运行，致使扭矩曲线在同步运行模式期间下降。如图4所示，一旦旋转速度达到目标值，即从异步启动模式变为同步启动模式。

本说明书中公开的方法使用阻尼绕组实现飞机启动。上述方法可以实现的一个优势在于，所述方法通过阻尼绕组20提供足够的启动扭矩以旋转可旋转轴18，而无需在励磁机定子16b进行外部交流励磁。

在设计飞机部件时，要解决的重要因素是大小、重量和可靠性。上述方法的零件较少，因为所述系统将能够启动S/G组件10，而无需将交流励磁电子电路添加到现有GCU22中，使得整个系统固有地更为可靠。这能够减轻重量、缩小大小、提高性能并提高系统稳定性。零件较少并且维修减少能够降低生产成本和运行成本。降低重量和大小能够提供飞行期间的竞争优势。

所述部件可以是已知异步电机和发电机的任何组合。除了本实施例中所述的附件以外，特定应用中还可以根据需要使用其他部件。例如，除了图示的机电附件以外，还可以使用从同一可旋转轴18驱动的其他附件，例如油泵、流体压缩器或液压泵。尽管所述方法描述了达到60Hz的三相、单相、三个连续加速阶段，但是可以在初始、加速和稳态运行期间使用其他相、阶段和频率。

本说明书使用各个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何器件或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也在权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一种用于操作机器的方法，所述机器具有主机、励磁机和永磁发电机，各自具有定子和转子，每个转子安装到公共轴，所述方法包括：

将启动电流施加到所述主机的所述定子，以在所述主机转子的阻尼绕组中感生阻尼电流，从而产生使所述公共轴旋转的启动扭矩；

响应于所述永磁发电机转子与所述公共轴一起旋转，在所述永磁发电机的所述定子中感生永磁发电机电流；

将所述永磁发电机电流供应到所述励磁机定子，以在所述励磁机的所述转子中感生励磁机转子电流；以及

将所述励磁机转子电流供应到所述主机的所述转子；

其中在所述阻尼绕组超出其热限制之前，终止施加所述启动电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述启动电流包括从直流电源产生所述启动电流。

3.根据权利要求2所述的方法，其中产生所述启动电流包括转换所述直流电源，以产生用于所述启动电流的交流电流。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述交流电流是三相电流。

5.根据权利要求1所述的方法，其中感生所述永磁发电机电流包括感生交流电流。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述交流电流是三相电流。

7.根据权利要求6所述的方法，其中将所述永磁发电机电流供应到所述励磁机定子包括将所述永磁发电机电流从三相转换为单相。

8.根据权利要求1所述的方法，其中将所述永磁发电机电流供应到所述励磁机定子包括将所述永磁发电机电流转换为励磁机定子电流。

9.根据权利要求8所述的方法，其中将所述永磁发电机电流转换为所述励磁机定子电流包括随时间的推移提高所述励磁机定子电流的频率。

10.根据权利要求1所述的方法，其中将所述励磁机转子电流供应到所述主机的所述转子包括整流所述励磁机转子电流。

11.根据权利要求1所述的方法，其中将所述永磁发电机电流供应到所述励磁机定子发生在所述阻尼绕组达到其热限制之前。

12.根据权利要求1所述的方法，其中终止施加所述启动电流与将所述永磁发电机电流供应到所述励磁机定子是同时进行的。

13.一种用于操作机器的方法，所述机器具有主机、励磁机和永磁发电机，各自具有定子和转子，每个转子安装到公共轴，所述方法包括：

以异步模式启动所述主机，方法是将启动电流施加到所述主机的所述定子，以在所述主机转子的阻尼绕组中感生阻尼电流，从而产生使所述公共轴旋转的启动扭矩；

在所述阻尼绕组达到其热限制之前，从异步模式切换到同步模式；以及

以同步模式运行所述主机，方法是将运行电流从所述励磁机转子供应到所述主机转子。

14.根据权利要求13所述的方法，其中施加所述启动电流包括从直流电源产生所述启动电流。

15.根据权利要求14所述的方法，其中产生所述启动电流包括转换所述直流电源，以产生用于所述启动电流的交流电流。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述交流电流是三相电流。

17.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在所述阻尼绕组达到其热限制之前，从异步模式切换到同步模式。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述从异步模式切换到同步模式与终止施加所述启动电流是同时发生的。

19.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在终止施加所述启动电流的同时，从异步模式切换到同步模式。